(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに用いられるセパレータを効率よく製造する技術を提供する。【解決手段】冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６が形成されていない原冷却プレートＣＰｏに、原冷却プレートＣＰｏを貫通する複数の冷媒流路２５を形成する。なお、冷媒流路２５は冷媒マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６とが形成されるであろう部位を連結するように形成される。原冷却プレートＣＰｏは、原アノードプレート２４ａｏと原カソードプレート２４ｃｏとで挟持され接合される。その後、その３層プレート８０を貫通する冷媒マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６及びマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６とを形成する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックで使用され、アノードプレートとカソードプレートと冷却プレートとで構成されるセパレータを製造する方法であって、
（ａ）冷媒マニホールド孔が形成されていない原冷却プレートであって、前記原冷却プレートを貫通する複数の冷媒流路が形成された原冷却プレートを準備する工程と、
（ｂ）前記原冷却プレートをアノードプレートとカソードプレートとで挟持して接合することによって、多層プレート構造を構成する工程と、
（ｃ）前記多層プレート構造を貫通するとともに各冷媒流路を連通する冷媒マニホールド孔を形成することによって、前記冷媒流路同士を隔てる冷媒流路壁を互いに分離させる工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、
前記アノードプレート及び前記カソードプレートに形成されるマニホールド孔は、前記工程（ｃ）において同時に形成されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方法であって、
前記冷媒マニホールド孔は、前記冷媒流路の両端にそれぞれ１つずつ設けられることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池スタックに用いられるセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、膜電極接合体をセパレータによって挟持した単セルと呼ばれる発電モジュールを積層して構成される。セパレータは、膜電極接合体の両面にそれぞれ燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素）を供給する機能と、発電された電気を集める集電機能と、膜電極接合体を冷却する冷却機能とを有する。これらの機能を実現するために複数のプレートを積層した多層構造のセパレータが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１０４
【０００４】
ところで、多層構造のセパレータは、上記冷却機能を実現するために冷却プレートを有しているものがある。冷却プレートには、冷媒供給用マニホールド孔と冷媒排出用マニホールド孔とそれら２つのマニホールド孔を連通する複数の冷媒流路とが設けらる。冷媒は、冷媒供給用マニホールド孔を介してこの冷却プレートの冷媒流路に流入し、単セルを冷却して冷媒排出用マニホールド孔から排出される。
【０００５】
この冷却プレートを製作する方法において、上記２つの冷媒用マニホールド孔と冷媒流路を薄い金属板を打ち抜いて形成する方法がある。しかし、この方法によると、各冷媒流路同士を隔てる隔壁となる部位（冷媒流路壁部材）が冷媒用マニホールド孔を形成することによて、冷却プレート本体から分離してしまうとういう問題があった。
【０００６】
そうすると上記冷媒流路壁部材は、各プレートを接合する際に、ひとつひとつ所定の位置に配置して接合しなければならず、作業効率が悪化していた。しかし、従来の多層構造のセパレータの製造工程では、こうした問題に対して充分な工夫がなされていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、燃料電池スタックに用いられるセパレータを効率よく製造する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池スタックで使用され、アノードプレートとカソードプレートと冷却プレートとで構成されるセパレータを製造する方法であって、（ａ）冷媒マニホールド孔が形成されていない原冷却プレートであって、前記原冷却プレートを貫通する複数の冷媒流路が形成された原冷却プレートを準備する工程と、（ｂ）前記原冷却プレートをアノードプレートとカソードプレートとで挟持して接合することによって、多層プレート構造を構成する工程と、（ｃ）前記多層プレート構造を貫通するとともに各冷媒流路を連通する冷媒マニホールド孔を形成することによって前記冷媒流路同士を隔てる冷媒流路壁を互いに分離させる工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この方法によれば、冷却プレートに冷媒の流路を容易に形成できる。
【００１０】
前記アノードプレート及び前記カソードプレートに形成されるマニホールド孔は、前記工程（ｃ）において同時に形成されることを特徴とするものとしても良い。
【００１１】
この方法によれば、マニホールド孔を各プレートに一度に形成することができ、さらに効率よくセパレータを製造することができる。
【００１２】
前記マニホールド孔は、前記冷媒流路の両端にそれぞれ１つずつ設けられるものとしても良い。
【００１３】
この方法によれば、形成する冷媒マニホールド孔の数は２つのみであり、さらに効率よくセパレータを製造することができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、多層構造のセパレータ、その多層構造のセパレータを備えた燃料電池、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの全体構成：
Ｂ．比較例：
Ｃ．実施例１：
Ｄ．実施例２：
Ｅ．変形例：
【００１６】
Ａ．燃料電池スタックの全体構成：
図１は、本実施例におけるセパレータを用いた燃料電池スタック全体を示す概略全体図である。燃料電池スタック１００は、燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との供給を受け、電気化学反応によって発電する燃料電池である。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、発電モジュールである単セル１０を複数積層するスタック構造を有しており、積層された単セル１０は、エンドプレート１１によって挟持されている。また、燃料電池スタック１００には、流体流路であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が、燃料電池スタック１００の積層方向に貫通するよう形成されている。マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２はそれぞれ水素の供給と排出とを担い、マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４はそれぞれ酸素の供給と排出とを担い、マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６は冷却水の供給と排出とを担う。
【００１８】
単セル１０は、膜電極接合体ＭＥＡをセパレータＳＰによって挟持した構成であり、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている。
【００１９】
図２は、図１における単セル１０の２−２切断における断面図である。膜電極接合体ＭＥＡは、電解質膜２０の両面に配置された電極触媒層２１と、電極触媒層２１の電解質膜２０と接しない外面に設けられたガス拡散層２２とを有している。膜電極接合体ＭＥＡの外周縁にはシールガスケット２３が成形されている。シールガスケット２３にはリップＲＰ（突起部）が設けられている。リップＲＰは、セパレータＳＰに押圧されてマニホールド孔から供給される流体の外部への漏洩を防止する。
【００２０】
電解質膜２０はプロトン伝導性を備え、湿潤状態において良好な電気伝導性を示す固体高分子材料からなる薄膜である。電極触媒層２１には、電気化学反応を促進する触媒（例えば白金）が担持されている。ガス拡散層２２はカーボン製の多孔体であり、その厚み方向にガスを拡散する性質により各電極触媒層の全面にそれぞれ水素及び酸素を供給する機能を持つ。
【００２１】
なお、本明細書において「膜電極接合体ＭＥＡ」とは、電極触媒層にガス拡散層が設けられているものを意味するものとして使用する。ただし、膜電極接合体としてガス拡散層の無いものを用いても良い。
【００２２】
図３（Ａ）は、膜電極接合体ＭＥＡの水素が供給されるアノード側を示し、図３（Ｂ）は、酸素が供給されるカソード側を示している。ガス拡散層２２の外周にはシールガスケット２３が成形されており、シールガスケット２３には、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている。
【００２３】
シールガスケット２３に形成されるリップＲＰは２条線で示してある。リップＲＰは、発電部位（ガス拡散層２２）から外部へ水素及び酸素の漏洩をシールする第１のシールラインＳＬ１と、各マニホールド孔を囲む第２のシールラインＳＬ２とを形成している。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）においては、第１のシールラインＳＬ１と第２のシールラインＳＬ２とが重複する部位が存在するが、別個のものとして形成しても良い。
【００２４】
図３（Ａ）に示すアノード側においては、水素は、マニホールド孔Ｍ１からガス拡散層２２へと流入し、ガス拡散層２２全体に均一に分散され、電極触媒層２１に供給される。電気化学反応に供されることのなかった一部の水素は、マニホールド孔Ｍ２から排出される。
【００２５】
図３（Ｂ）に示すカソード側においては、酸素は、マニホールド孔Ｍ３からガス拡散層２２へと流入し、ガス拡散層２２全体に均一に分散され、電極触媒層２１に供給される。電気化学反応に供されることのなかった一部の酸素は、マニホールド孔Ｍ４から排出される。
【００２６】
次にセパレータＳＰについて説明する。図２に示すように、セパレータＳＰは、３枚の薄い金属板を接合した３層構造である。具体的には、冷媒の流路となる冷媒流路２５を形成された冷却プレートＣＰが、アノードプレート２４ａとカソードプレート２４ｃとで挟持されている。アノードプレート２４ａは、膜電極接合体ＭＥＡのアノード側に接するように配置される。カソードプレート２４ｃは、膜電極接合体ＭＥＡのカソード側に接するように配置される。なお、３枚のプレートは導電性を有しており、それによってセパレータＳＰは、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発電した電気を集める集電機能を実現する。
【００２７】
図４は、アノードプレート２４ａと冷却プレートＣＰとカソードプレート２４ｃとを示している。３枚のプレートにはそれぞれマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている。冷却プレートＣＰには複数の冷媒流路２５が形成されている。冷媒流路２５は、冷却プレートＣＰを貫通しており、マニホールド孔Ｍ５とマニホールド孔Ｍ６とを連結している。これらの冷媒流路２５は、互いに交差することなく、冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５から冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６まで並走している。
【００２８】
実際にセパレータＳＰとして燃料電池に使用される際には、冷媒である水は、図４において矢印で示すように、マニホールド孔Ｍ５から冷媒流路２５に流入し、マニホールド孔Ｍ６より排出される。これによって単セル１０において電気化学反応による発熱が冷却される。なお、冷媒流路２５は、発電部位を均一に冷却できるように形成されることが好ましい。
【００２９】
Ｂ．比較例：
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、比較例におけるセパレータの製造工程を示している。
【００３０】
図５（Ａ）は、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と冷媒流路２５とが形成された後の冷却プレートＣＰを示している。冷媒流路２５をそれぞれ隔てる壁を構成している冷媒流路壁部材２５Ｗは、個々の冷媒流路２５がマニホールド孔Ｍ５とマニホールド孔Ｍ６とを連結しているため、冷却プレート本体ＣＰｓから分離してしまう。即ち、ｎ本の冷媒流路２５を形成するとｎ−１個の冷媒流路壁部材２５Ｗが冷却プレート本体ＣＰｓから分離する。図５（Ｂ）は、分離した冷媒流路壁部材２５Ｗを示している。
【００３１】
比較例では図５（Ｃ）に示すように、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されたカソードプレート２４ｃに、全ての冷媒流路壁部材２５Ｗを所定の位置に配置して接合する。さらに、残った冷却プレート本体ＣＰｓをカソードプレート２４ｃ上に配置して接合し、その上にマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されたアノードプレート２４ａを重ねて接合する。図５（Ｄ）は完成したセパレータＳＰ１を示す。
【００３２】
図６は、図５で示す６−６切断における断面図である。この比較例においては、冷媒流路壁部材２５Ｗを個々にカソードプレート２４ｃ上に配置して接合しているため、図６に示すように、冷媒流路壁部材２５Ｗは、それぞれの鉛直方向がそろわない可能性が高い。そのため、セパレータＳＰ１の平面度が低くなり、各構成部品の接触性が低下する可能性がある。そうすると、セパレータＳＰ１内においては、冷媒がセパレータＳＰの外部へ漏洩したり、冷媒流路２５にそって流れなくなるなど、意図した冷却機能を発揮しない可能性がある（問題点１）。また、各プレート間の接合にばらつきが生じ、接触抵抗が増大し、セパレータＳＰ１の導電性が低下する可能性もある（問題点２）。さらに、セパレータＳＰ１の平面度が低ければ、セパレータＳＰ１と膜電極接合体ＭＥＡに形成されたシールラインＳＬ１、ＳＬ２との接触性が低下し、その部位において流体の漏洩が発生し、燃料電池自体の起電力が低下するおそれがある（問題点３）。
【００３３】
また、この比較例によると、冷媒流路壁部材２５Ｗを一つ一つ並べて接合しているため手間がかかる（問題点４）。それに加え、製作途中の部品の搬送中に、振動などにより冷媒流路壁部材２５Ｗの位置ずれなどが発生する可能性もある。すると本来発電部位を均一に冷却する意図であったものが、上記位置ずれにより不均一なものとり、発電部位に局所的に温度の高い部位が発生してしまうおそれがある。これによって、その部位のみ電気化学反応がすすみ、その部位の電解質膜が早期に劣化するおそれが生じる。こうした問題点１〜４をふまえて以下に実施例としてのセパレータの製造工程を説明する。
【００３４】
Ｃ．実施例１：
本実施例の第１工程として、図７で示すように、原カソードプレート２４ｃｏと原冷却プレートＣＰｏと原アノードプレート２４ａｏとを準備する。各プレートにはまだ、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は形成されいない。即ち、「原カソードプレート」、「原冷却プレート」、「原アノードプレート」とは、それぞれ、マニホールド孔が形成されていない加工途中のカソードプレート２４ｃ、冷却プレートＣＰ、アノードプレート２４ａを意味する。
【００３５】
原冷却プレートＣＰｏには互いに独立した複数の冷媒流路２５が形成されている。冷媒流路２５は、冷媒用マニホールドＭ５、Ｍ６が形成されるであろう冷媒用マニホールド孔形成部位Ｍ５ａ、Ｍ６ａを連結するように形成されている。従って、冷媒流路２５同士を隔てる冷媒流路壁部材２５Ｗはそれぞれ、その端部２５Ｗｅが、冷媒用マニホールド孔形成部位Ｍ５ａ、Ｍ６ａの外周で原冷却プレートＣＰｏにつながっている。
【００３６】
次に、原冷却プレートＣＰｏを原アノードプレート２４ａｏと原カソードプレート２４ｃｏとで挟持して接合する（図８（Ａ））。図８（Ｂ）は、各プレートが接合された３層プレート８０を示す。なお、接合方法としては、ロウ付け接合や、拡散接合を利用することが可能である。
【００３７】
次に、３層プレート８０に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６を形成する。図８（Ｃ）は完成したセパレータＳＰ２である。冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６は冷媒流路２５によって連結されている。それに伴い、冷媒流路壁部材２５Ｗの端部２５Ｗｅは、冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６の内壁面を形成している。なお、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６のうち、酸素用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２と水素用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４とは、各プレートの接合前に形成されているものとしても良い。
【００３８】
なお、原カソードプレート２４ｃｏ、原冷却プレートＣＰｏ、原アノードプレート２４ａｏにマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成され完成した後は、それぞれを、カソードプレート２４ｃ、冷却プレートＣＰ、アノードプレート２４ａと呼ぶ。
【００３９】
図９は、図８（Ｃ）で示す９−９切断における断面図である。本実施例によれば、冷媒流路壁部材２５Ｗが原冷却プレートＣＰｏから切り離されていない状態のまま原アノードプレート２４ａｏ及び原カソードプレート２４ｃｏと接合されたため、冷媒流路壁部材２５Ｗは鉛直方向にそろっており、セパレータＳＰ２は平面度が向上している。これにより、各プレート間の接触性が向上し、冷媒の漏洩（上記問題点１）や、導電性の低下（上記問題点２）などの可能性が低減される。また、膜電極接合体ＭＥＡに形成されたシールラインとの接触面における流体の漏洩（上記問題点３）の可能性も低減される。
【００４０】
また、本実施例１によれば、冷媒流路壁部材２５Ｗを一つ一つ並べて接合する工程（上記問題点４）がなく、作業効率が向上する。従って、その製作工程において製造途中の部品の搬送中の振動などによる冷媒流路壁部材２５Ｗの位置ずれの発生の可能性が低減し、発電部位の冷却が不均一になる可能性が低減される。
【００４１】
Ｄ．実施例２：
図１０は、実施例２における原冷却プレートＣＰｏ２を示している。本実施例２は、原冷却プレートＣＰｏ２が、横断冷媒流路２５ｃにより連結された冷媒流路２５を有している点が実施例１の原冷却プレートＣＰｏ（図７）と異なるだけであり、他の構成や製造工程は実施例１と同じである。個々の冷媒流路壁部材２５Ｗは、その端部２５Ｗｅのうちいずれかが冷媒用マニホールド孔形成部位Ｍ５ａ、Ｍ６ａの外周で原冷却プレートＣＰｏ２につながっていれば良い。この原冷却プレートＣＰｏ２を上記実施例１の原冷却プレートＣＰｏの代わりに用いても、上記実施例１と同じ工程で多層構造のセパレータを制作することができる。
【００４２】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４３】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例において、セパレータＳＰ２は、アノードプレート２４ａと、冷却プレートＣＰと、カソードプレート２４ｃとで３層構造を構成していたが、４層以上の多層構造を有するセパレータとしても良い。例えば、水素や酸素の流路を持つプレートやシール部材の層が追加されるものとしても良い。
【００４４】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例において、アノードプレート２４ａとカソードプレート２４ｃには、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６のみが形成されていたが、それぞれに水素及び酸素の流路が設けられているものとしても良い。
【００４５】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例において、冷媒用マニホールド孔として供給用と排出用にそれぞれマニホールド孔Ｍ５、Ｍ６の１つずつを形成していたが、供給用と排出用にそれぞれ複数のマニホールド孔が形成されるものとしても良い。
【００４６】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例において、原冷却プレートＣＰｏとともに、原カソードプレート２４ｃｏ及び原アノードプレート２４ａｏを準備していたが、その替わりに、既にマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の設けられているカソードプレート２４ｃ、アノードプレート２４ａを準備するものとしても良い。
【００４７】
Ｅ５．変形例５：
上記実施例１において、冷媒マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６を同時に設けているが、いずれか一方のマニホールド孔は冷媒流路２５とともに設けられているものとしても良い。このような方法であっても、原冷却プレートＣＰｏから冷媒流路壁部材２５Ｗが互いに分離していない状態で他の２つのプレート２４ｃｏ、２４ａｏに挟持することができる。
【００４８】
ただし、上記実施例に較べ、上記変形例４においては、原カソードプレート２４ｃｏ及び原アノードプレート２４ａｏにマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６を設ける工程が別途必要であり、上記変形例５においては、冷媒マニホールド孔のうちいずれか一方を設ける工程が別途必要となる。しかし、上記実施例の方法においては３枚のプレート２４ｃｏ、２４ａｏ、ＣＰｏを一度に貫通してマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６を形成するため、工程数も少なく、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の位置や大きさなどの精度を高く形成できる。従って、より効率よくセパレータを製造できる点で上記実施例が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】燃料電池スタックの全体概略図。
【図２】単セルの断面図。
【図３】膜電極接合体のアノード側とカソード側の説明図。
【図４】セパレータを構成する各プレートの説明図。
【図５】比較例の工程を示す説明図。
【図６】比較例により製造されたセパレータの断面図。
【図７】実施例１の工程を示す説明図１。
【図８】実施例１の工程を示す説明図２。
【図９】実施例１により製造されたセパレータの断面図。
【図１０】実施例２で用いられる原冷却プレートの説明図。
【符号の説明】
【００５０】
１０…単セル
１１…エンドプレート
２０…電解質膜
２１…電極触媒層
２２…ガス拡散層
２３…シールガスケット
２４ａ…アノードプレート
２４ａｏ…原アノードプレート
２４ｃ…カソードプレート
２４ｃｏ…原カソードプレート
２５…冷媒流路
２５ｃ…横断冷媒流路
２５Ｗ…冷媒流路壁部材
２５Ｗｅ…冷媒流路壁部材の端部
８０…３層プレート
１００…燃料電池スタック
ＣＰ…冷却プレート
ＣＰｏ…原冷却プレート（実施例１）
ＣＰｏ２…原冷却プレート（実施例２）
ＣＰｓ…冷却プレート本体
Ｍ１…水素供給用マニホールド孔
Ｍ２…水素排出用マニホールド孔
Ｍ３…酸素供給用マニホールド孔
Ｍ４…酸素排出用マニホールド孔
Ｍ５…冷媒供給用マニホールド孔
Ｍ６…冷媒排出用マニホールド孔
Ｍ５ａ、Ｍ６ａ…冷媒用マニホールド孔形成部位
ＭＥＡ…膜電極接合体
ＲＰ…リップ
ＳＬ１…第１のシールライン
ＳＬ２…第２のシールライン
ＳＰ…セパレータ
ＳＰ１…セパレータ（比較例）
ＳＰ２…セパレータ（実施例１）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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